锯齿形翅片散热器风冷性能试验研究

周 仝，辛晓峰

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

锯齿形翅片散热器风冷性能试验研究

周 仝，辛晓峰

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

文中从试验的角度研究了锯齿形翅片散热器的风冷性能。锯齿形翅片散热器具有结构复杂、不易仿真实施的特点。文中系统介绍了锯齿形风冷散热器的典型结构形式以及风冷性能测试系统原理、性能和测试分析结果，从试验实测的角度研究了锯齿形翅片散热器的应用选型及其与散热量、风量、风压等的关系，分析了翅片参数(翅高、翅宽、翅片节距)对散热性能的影响，对电子产品散热的风冷设计具有较高的参考价值。

锯齿形翅片散热器；热设计；风冷

引 言

随着电子设备向高功率、高密度组装和小型化的方向发展，散热问题变得越来越突出。因为强迫风冷结构简单，可靠性高，成本低，工程上易实现，所以分析研究风冷散热器的性能特性以及恰当的风量、风压对散热设计有着重要的指导意义[1-3]。

铝制锯齿形翅片散热器以其自身结构紧凑、重量轻和散热好等突出优点，在电子设备中得到越来越广泛的应用[4]。锯齿翅片能强化传热的主要原因有二：一是翅片沿流动方向的不断错位使边界层的发展屡遭中断，故边界层较薄，降低了传热热阻；二是翅片尾部对流体的扰动作用，上游翅片引发的尾涡对下游翅片的换热有强化作用[5]。

目前，如文献[6-10]主要是在理论上研究和分析翅片散热器的传热特性，建立相关理论模型，并在此基础上进行仿真计算，但能准确给出散热器性能特性的仿真还比较困难。

本文针对各种翅高的锯齿形散热器，进行发热量、冷却风量和发热体表面温度关系的测试，找出发热功率与风量、温度以及风量与压损之间的特性曲线关系，为热设计中的锯齿形散热器应用提供依据。

1 锯齿形散热器结构参数

翅片散热器通常分多孔型翅片和锯齿形翅片2种。翅片的技术标准为GB/T 6892—2000。文中所指散热器均为锯齿形散热器。

锯齿形翅片如图1所示，相关的几何参数有翅片节距A、翅高H、翅厚t、齿长P、长度L、宽度B。锯齿翅片被钎焊于上下盖板之间，沿流动方向错位排列。

图1 锯齿形散热器结构示意图

所选锯齿形散热器的材料为3A21铝锰合金系的铝合金，该合金焊接性好，耐腐蚀性强，状态为退火状态(0)，退火状态下有较高的塑性。

2 散热器性能测试原理

2.1 测试原理

发热组件的热量传导给散热器。风机通过风管将风送至静压箱，风在静压箱均压后被送至散热器将热量带走。风机可调速，控制散热器的进风量。压差传感器测量进出散热器风压差。数据采集仪记录发热组件温度、送风温度和出风温度。热线风速仪测量散热器出口风速。图2为散热器性能测试系统原理图。

图2 锯齿形风冷散热器性能测试系统原理图

2.2 被测试散热器规格

总共测试了6种规格的散热器，除了节距、厚度、齿长、宽度等参数有变化外，最明显的表征不同型号的参数是高度参数，高度从6.5 mm到22 mm，各不相同。被测试的锯齿形散热器规格详见表1。

表1 散热器的型号及参数 mm

序号种类高度节距厚度齿长宽度165J30032/356．53．00．323．0300280J30032/358．03．00．323．0300395J26025/309．52．60．252．31604138J26025/2313．82．60．252．31605158J26025/2315．82．60．252．31606220J2903/5022．02．90．35．0160

2.3 被测试组件的几何结构

如图3所示，总共有6块发热组件，每2块组件安装在一块铜板上，共有3块铜板。铜板安装在锯齿形散热器的铝基板上，铝基板的另外一侧钎焊锯齿形散热翅片。散热翅片的两侧和顶端封装铝板，以保护翅片不因受外力而变形。

图3 测试组件和散热器结构尺寸

3 测试结果

3.1 压损测试结果

图4为散热器压损曲线图，横坐标为散热器出口平均风速，纵坐标为散热器进出口风压损，6条曲线分别对应6.5～22 mm的6种不同翅高的散热器。针对这6种不同翅高的散热器可以发现：翅高大的散热器压损最小，且风阻随风速的变化最小；而翅高小的散热器压损最大，风阻随风速的变化也最大。在风冷热设计中，需要选择合适的散热器和风机，尤其是在因结构受限而选择翅高较小的锯齿形散热器时，由于压损随风量变化较为显著，需要严格选择合适风量和压头的风机。

图4 散热器压损曲线

3.2 温度测试结果

发热组件的发热功率可调节，调节产生6档发热功率。单个组件的发热功率除以组件管体和法兰的接触面积得到组件热流密度，见表2。

表2 组件的发热量及热流密度

图5～图10分别对应6个不同翅高的散热器。横坐标为散热器出口平均风速，纵坐标为组件最高壳温与送风温度的温差。在风的流动方向上，下游的组件壳温比上游的壳温高，纵坐标的最高壳温为下游组件的平均温度。一条曲线表示一个散热器的热流密度。

图5为6.5 mm翅高的散热器性能测试图，3条曲线分别对应3档热流密度，分别为1.6 W/cm2、3.2 W/ cm2、8 W/ cm2，风速从1 m/s逐步递增到3.5 m/s。

图5 6.5 mm翅高散热器性能

图6为8mm翅高的散热器性能测试图，5条曲线分别对应5档热流密度，分别为1.6W/cm2、3.2 W/cm2、4.8 W/cm2、8 W/cm2、12.8 W/cm2，风速从0.5 m/s逐步递增到5 m/s。

图6 8 mm翅高散热器性能

图7为9.5 mm翅高的散热器性能测试图，5条曲线分别对应5档热流密度，分别为1.6 W/cm2、3.2 W/cm2、8 W/cm2、12.8 W/cm2、15.8 W/cm2，风速从1 m/s逐步递增到4 m/s。

图7 9.5 mm翅高散热器性能

图8为13.8 mm翅高散热器性能测试图，4条曲线分别对应4档热流密度，分别为1.6 W/cm2、3.2 W/cm2、8 W/cm2、15.8 W/cm2，风速从0.5 m/s逐步递增到4 m/s。

图8 13.8 mm翅高散热器性能

图9为15.8 mm翅高的散热器性能测试图，5条曲线分别对应5档热流密度，分别为1.6W/cm2、3.2 W/cm2、8 W/cm2、12.8 W/cm2、15.8 W/cm2，风速从1 m/s逐步递增到4 m/s。

图9 15.8 mm翅高散热器性能

图10为22 mm翅高散热器性能测试图，4条曲线分别对应4档热流密度，分别为3.2W/cm2、8 W/cm2、12.8 W/cm2、15.8 W/cm2，风速从1 m/s逐步递增到5 m/s。

图10 22 mm翅高散热器性能

图5～图10给出了6种典型翅高的散热器针对不同热流密度的温度测试结果，不同的热设计需求需要针对试验曲线选择不同翅高的散热器和风机，对风冷热设计具有非常重要的参考价值。

4 测试结果分析

本文选取了6种典型翅高的散热器，试验研究了其选型和散热量、风量、风压等的关系，得到的试验结论如下：

1)相同的风速下，翅高小的翅片压损大，翅高大的压损小。翅高大的翅片具有“大风量，低压损”特点，因此应尽量采用翅高大的翅片，除非有严格的尺寸限制。

2)对翅高小的散热器，风速设计宜控制在低风速，以避免较大的压损，在风机的选型上有了更多的选择。

3)随着风速的增大，温差迅速减小；风速达到一定值以后，风速继续增大，温差减少变慢，存在一个拐点。在拐点之前，风速增大，散热器散热效果改善明显，在拐点之后，风速持续增大，散热器散热能力的增强并不明显。

4)从降噪的角度考虑，风速应该设计在低速区，以避免高风速导致的“啸叫”噪音。

5 结束语

本文介绍了常用的锯齿形翅片散热器的几何结构、散热器性能测试原理、散热器性能以及测试分析结果。测试的数据以及分析总结的规律对电子设备热设计中的散热器选型、风量风压的设计、散热温度的预计和仿真有较高的参考价值。

[1] 平丽浩，钱吉裕, 徐德好. 电子装备热控新技术综述(上)[J]. 电子机械工程，2008, 24(1): 1-10.

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周 仝(1978-)，男，硕士，主要从事电子设备的热设计、环境控制等方面的研究。

Thermal Performance Test of an Air-cooling Radiator with Slit Fins

ZHOU Tong，XIN Xiao-feng

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

The thermal performance of an air-cooling radiator with slit fins is presented. The radiator has complicated structure characteristics and is not easy to study by simulation. The typical structure of the radiator, the thermal performance test system principle and the test analysis result are introduced. The type selection of the radiator and its relationship with the air pressure, air volume and dissipation volume are analyzed based on the test. The influence of fin parameters (fin height, fin width, gap width) on the thermal performance is experimentally analyzed. It can be used as a reliable criterion for designing slit fins of air-cooling radiators.

radiator with slit fins; thermal design; air-cooling

2013-04-18

TK414.2+12

A

1008-5300(2013)04-0005-04